CN107621552B

CN107621552B - 一种基于悬臂型圆孔探针的偏振调制扫描近场光学显微镜系统装置

Info

Publication number: CN107621552B
Application number: CN201610557668.5A
Authority: CN
Inventors: 李敬; 孟祥敏; 方金云; 田利丰
Original assignee: Technical Institute of Physics and Chemistry of CAS
Current assignee: Technical Institute of Physics and Chemistry of CAS
Priority date: 2016-07-15
Filing date: 2016-07-15
Publication date: 2020-10-02
Anticipated expiration: 2036-07-15
Also published as: CN107621552A

Abstract

本发明公开一种基于悬臂型圆孔探针的偏振调制扫描近场光学显微镜系统装置。所述系统包括：光源单元，为扫描单元提供偏振方向可调的线偏振扫描光源；扫描单元，将线偏振扫描光源耦合进悬臂型圆孔探针照射样品，利用悬臂型圆孔探针收集样品的偏振扫描光信号，进行接触模式或轻敲模式的近场扫描成像；成像单元，对所收集的光信号进行处理，获得待扫描样品图像信息。本发明基于空间光路、利用悬臂型圆孔探针进行偏振调制成像，克服了光纤探针的缺陷，具有偏振保持特性高、光通量高、可提供较高光功率、耐磨损、重复性好等优点，可以提高偏振调制成像的分辨率和信噪比。同时，光调制器与锁相放大器联用，得到的相位信息输入到系统控制器可以获得偏振调制成像。

Description

一种基于悬臂型圆孔探针的偏振调制扫描近场光学显微镜系统装置

技术领域

本发明涉及各向异性特性的显微成像测试技术领域。更具体地，涉及一种基于悬臂型圆孔探针的偏振调制扫描近场光学显微镜系统装置。

背景技术

人们对纳米材料与器件的研究推动着全球纳米技术的迅猛发展，其中，扫描探针显微镜、扫描电子束显微镜、扫描离子束显微镜是纳米技术领域主要的研究技术手段。而扫描探针显微镜利用力学、光学原理进行成像，在微观尺度上对各向异性特性的研究方面更有优势。

利用偏振光显微镜可以测量各向异性特性，但受衍射极限的限制，所得到的是宏观上、大尺寸面积内平均效应的结果，难以获得微区、纳米尺度上光学各向异性特性，这是纳米材料与器件各向异性特性研究的一大瓶颈。作为扫描探针显微镜的一种应用方式，扫描近场光学显微镜利用亚波长尺度的探针针尖在样品表面扫描成像，可以突破传统光学衍射极限的限制。而扫描近场光学显微镜进一步与偏振调控技术结合可以进行纳米尺度上的光学各向异性特性的检测。

目前，偏振调制扫描近场光学显微镜主要采用基于光纤探针的方法进行测量，具体有以下几种方案：

(1)偏振被调制的入射光耦合到光纤中，传导到光纤探针中，经探针照射样品并逐点、逐行扫描，通过物镜收集透射的光信号，并耦合到探测器中经控制器进行成像。

(2)入射激光偏振被调制后，经过适当的光路耦合到物镜，照射到样品上，经光纤探针逐点、逐行扫描，并收集透射的光信号，传到探测器中经控制器进行成像。

虽然这两种方法都可以对样品进行各向异性特性近场扫描成像，但他们普遍都存在一个共同的缺点，即光纤传输和光纤探针扫描。利用光纤传输偏振调制光束，易因光纤应力、弯曲产生的光束退偏振现象而降低偏振调制成像的分辨率；采用光纤探针进行扫描成像，光纤探针存在光纤易损坏、可提供光功率低的缺陷，特别是光透过率低、退偏振特性严重的缺陷会大大降低偏振调制成像的分辨率和信噪比。

因此，需要提供一种克服光纤探针上述缺陷的偏振调制扫描近场光学显微镜系统装置，以提高偏振调制扫描近场成像的分辨率和信噪比。

发明内容

本发明的一个目的在于提供一种基于悬臂型圆孔探针的偏振调制扫描近场光学显微镜系统装置，以提高偏振调制扫描近场成像的分辨率和信噪比。

本发明的显微镜系统装置的特点在于：将偏振调制光束通过空间光路耦合进悬臂型圆孔探针照射样品，或利用悬臂型圆孔探针收集穿过样品的偏振调制光信号，可以进行接触模式或轻敲模式的偏振调制扫描近场光学成像。光调制器与锁相放大器联用，实现了对所调制光信号的锁相、放大，将锁相放大器获得到的相位信息输入到系统控制器可以获得偏振调制成像。

为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种基于悬臂型圆孔探针的偏振调制扫描近场光学显微镜系统，所述偏振调制扫描近场光学显微镜系统包括：

光源单元，用于为扫描单元提供偏振方向可调的线偏振扫描光源；

扫描单元，包括悬臂型圆孔探针，将线偏振扫描光源耦合进悬臂型圆孔探针照射样品，或利用悬臂型圆孔探针收集样品的偏振扫描光信号，进行接触模式或轻敲模式的近场扫描成像；

成像单元，用于对所收集的光信号进行处理，获得待扫描样品图像信息。

进一步地，所述悬臂型圆孔探针包括基座、悬臂以及圆锥形针尖；

所述悬臂的一端与基座相连，悬臂的另一端连有圆锥形针尖，所述圆锥形针尖的底部部分连接于悬臂端部；

所述圆锥形针尖为圆锥形凹坑结构，所述圆锥形针尖的内部具有锥形孔，圆锥形针尖的尖部具有圆形通孔。

优选地，所述圆锥形针尖内部的锥形孔的最大直径为15-25μm、高度10-15μm，尖部的圆形通孔直径80-150nm。

优选地，所述圆锥形针尖外部包覆金属铝层，内部为二氧化硅层，金属铝层厚度70-150nm。

现有探针一般采用金字塔形针尖、四边形锥形孔。本发明采用圆锥形针尖、圆锥形孔，该圆锥形孔的顶端为圆孔，比普通金字塔形针尖的偏振消光比和透光率高，更适合传输偏振调制光束。

优选地，所述悬臂型圆孔探针是通过微加工的工艺方法制备得到的；所述微加工的工艺方法包括湿法腐蚀、光刻、反应离子束刻蚀、化学气相沉积、物理气相沉积、聚焦离子束刻蚀等等。此外，在圆锥形针尖顶部利用聚焦离子束加工方法制作圆形通孔，并进行修饰加工，可以提高探针结构的对称性和偏振消光比。

进一步地，所述光源单元包括激光器、线偏振片、光调制器、四分之一波片、反射镜以及物镜；所述激光器输出的光依次经过线偏振片、光调制器、四分之一波片、反射镜耦合到物镜，这样才能实现该波长线偏振光的偏振方向在面内转动。

优选地，所述光调制器为光弹调制器、电光调制器或者贴有偏振片的斩波器；所述四分之一波片、线偏振片和光调制器与激光器输出的入射光的波长匹配。

本系统装置中的激光器、光调制器、四分之一波片、线偏振片、反射镜、物镜共同组成了空间光路，利用空间光路取代光纤传输偏振调制光束，避免了传输过程中因光纤应力、弯曲产生的光束退偏振而降低偏振调制成像的分辨率。

进一步地，所述扫描单元还包括扫描头、扫描台以及样品台，所述悬臂型圆孔探针通过针尖座固定于扫描头。

进一步地，所述成像单元包括探测器、锁相放大器、系统控制器和计算机。

优选地，所述光调制器与锁相放大器的频率输入端连接，将调制频率信息输入到锁相放大器，使得锁相放大器与光调制器同频率；所述探测器与锁相放大器的信号输入端连接，将强度信息输入到锁相放大器；所述锁相放大器的输出端与系统控制器连接。光调制器与锁相放大器联用，探测器得到的电信号输入锁相放大器，并进一步输入到系统控制器；系统控制器控制扫描头和扫描台的相对运动，并控制探针的扫描过程。

光调制器与锁相放大器联用，能够实现对所调制光信号的锁相、放大，并进一步输入到系统控制器获得偏振调制成像信息。从锁相放大器获得的相位信息对应的是偏振调制信息，通过系统控制器进行偏振信息成像。而且，锁相放大器只对设定调制频率的光信号进行放大，提高近场光信号的信噪比。

优选地，所述系统装置还包括辅助部件，如照明光源、分光元件以及成像CCD。加入这些元件后该显微镜系统可以进行双向显微成像、观察，便于调整光路和改变样品位置。

本发明系统装置的工作原理如下：

对于将偏振调制光束耦合进悬臂型圆孔探针照射样品的光照明工作模式，所述系统装置的工作原理如下：

激光器输出的光经线偏振片后得到高偏振比的线偏振光，经过光调制器、四分之一波片，线偏振光的偏振得到调制，偏振方向在面内旋转。调制后的线偏振光经透反射镜耦合到扫描头里的物镜，并聚焦到悬臂型探针的孔径里照射到样品上。扫描台带动样品相对于扫描头上的悬臂探针做扫描运动。经过样品的光束由扫描台里的物镜、透反射镜耦合到探测器中，光信号转变成电信号，由与光调制器连接的锁相放大器、系统控制器在计算机上进行成像。在扫描前，可用白光源照明，通过CCD成像观察样品和探针，并根据扫描头里的物镜确定探针孔径在水平面内的位置，并调扫描台里的物镜与探针孔径在水平面内的位置一致。

对于利用悬臂型圆孔探针收集穿过样品的偏振调制光信号的光收集工作模式，所述系统装置的工作原理如下：

激光器输出的光经线偏振片后得到高偏振比的线偏振光，经过光调制器、四分之一波片，线偏振光的偏振得到调制，偏振方向在面内旋转。调制后的线偏振光经透反射镜耦合到扫描台里的物镜，并聚焦到样品上表面。扫描头里的物镜聚焦到悬臂型探针的孔径，用白光源照明并通过CCD成像观察、调整探针的位置，使悬臂型探针的孔径在水平面内的位置与经过样品的光束光斑一致，利用悬臂型探针的孔径收集经过样品的光信号。扫描台带动样品相对于扫描头上的悬臂探针做扫描运动。由扫描台里的物镜、透反射镜耦合到探测器中，光信号转变成电信号，由与光调制器连接的锁相放大器、系统控制器在计算机上进行成像。

一般的光纤探针孔径透光率低，偏振消光比低；光纤探针以及光纤中的应力、弯曲引起双折射，造成偏振调制扫描近场光学的分辨率和信噪比低。本发明系统装置用微加工工艺制备具有圆锥形针尖和圆形通孔的悬臂型探针，探针偏振消光比高，透光率高；整个系统采用空间光路，偏振保持特性高。

本发明利用悬臂型圆孔探针进行偏振调制成像，克服了光纤探针的上述缺陷，而且所采用的圆锥形针尖和圆形通孔结构比普通的金字塔形针尖有优势，具有偏振保持特性高、光通量高、可提供较高光功率、耐磨损、重复性高等优点，有利于提高偏振调制成像的分辨率和信噪比。另外，悬臂型圆孔探针可以用利用微加工工艺方法制备，针尖形状和孔径大小容易控制，能够批量生长，有利于降低成本。利用空间光路代替光纤传输偏振调制光束，避免了传输过程中因光纤应力、弯曲产生的光束退偏振而降低偏振调制成像的分辨率。

本发明所述系统不仅可以应用于对偏振相关的微纳光子学现象的解释，而且能够用于研究材料的偏振特性、双折射、应力分布等。

另外注意的是，如果没有特别说明，本发明所记载的任何范围包括端值以及端值之间的任何数值以及以端值或者端值之间的任意数值所构成的任意子范围。

本发明的有益效果如下：

本发明系统装置的优点在于：基于空间光路、利用具有圆锥形针尖和圆形通孔的悬臂型探针进行偏振调制成像，克服了光纤传输时因应力、弯曲而产生退偏振的缺点，以及光纤探针光透过率低、退偏振严重、光纤易损坏、可提供光功率低的缺陷，具有偏振保持特性高、光通量高、可提供较高光功率、耐磨损、重复性好等优点，可以提高偏振调制成像的分辨率和信噪比。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

图1示出探针光照明模式的偏振调制扫描近场光学显微镜的系统装置示意图。

图2示出探针光收集模式的偏振调制扫描近场光学显微镜的系统装置示意图。

图3示出悬臂型圆孔探针的制备工艺流程图。

图4示出悬臂型圆孔探针的结构示意图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。

实施例1

本发明公开的扫描显微镜成像系统装置，包括

光源单元，用于为扫描单元提供稳定的偏振方向可调的线偏振扫描光源；

现结合图1和图2示意图，来对本发明的系统装置进行详细说明。

该扫描显微镜成像系统装置包括用于扫描成像的悬臂型圆孔探针11，该探针11通过针尖座固定在扫描头301上，通过光杠杆原理控制探针与样品的距离，实现轻敲模式或接触模式的扫描成像。其中，12是激光器，13是四象限探测器。样品501固定在扫描台302上，利用系统控制器403控制扫描台302，并带动样品501在x轴、y轴、z轴三个方向的扫描运动。为了选择样品501的特定区域，以及将物镜303聚焦到样品501表面，可以用白光源201照明样品、用成像CCD和监视器202观察样品501。同样可以用白光源203照明样品、用成像CCD和监视器204观察样品501、调物镜304的聚焦状态。

所述系统装置还包括用于提高激光器101输出光偏振比的线偏振片102，用于调制线偏振光的光调制器103、四分之一波片104。线偏振片102偏振方向、光调制器103主轴方向以及四分之一波片104的偏振方向依次为90度、45度和0度。光调制器103和四分之一波片104对应的波长均为532nm。入射光通过物镜303聚焦到探针通孔015(图3中的(l)所示)处。经过探针通孔015后照明在样品501上，物镜304收集光信号并传输到探测器402，光信号转变成电信号，进一步传输到锁相放大器401里。锁相放大器401与光调制器103、探测器402相连，实现对该调制频率的光信号进行锁相、放大；锁相放大器401与系统控制器403相连，并与含控制软件的计算机404相连，获得近场光学成像和偏振调制成像。利用与锁相放大器401连接的光调制器103和系统控制器403，通过锁相放大器401的相位信息能够获得偏振调制成像。

该系统装置采用悬臂型圆孔探针11、以轻敲或接触的扫描成像模式，获得样品的偏振调制近场扫描成像。

其中，悬臂型圆孔探针11是该偏振调制近场扫描成像系统的核心部件。其结构示意图如图4所示。图中，01代表基座、02代表悬臂、08代表圆锥形针尖。

所述悬臂型圆孔探针包括基座、悬臂以及圆锥形针尖；

所述悬臂的一端与基座的窄端相连，悬臂的另一端连有圆锥形针尖，所述圆锥形针尖的底部部分连接于悬臂端部；

所述圆锥形针尖的内部具有锥形孔，圆锥形针尖的尖部具有圆形通孔。

所述圆锥形针尖外部包覆金属铝层，内部为二氧化硅层，金属铝层厚度70-150nm；所述圆锥形针尖内部的锥形孔的最大直径为15-25μm、高度10-15μm，尖部的圆形通孔直径80-150nm。

该悬臂型圆孔探针11可以利用湿法腐蚀、光刻、反应离子束刻蚀、化学气相沉积、物理气相沉积、聚焦离子束刻蚀等微加工工艺方法制备。

本实施例的悬臂型圆孔探针11的制备工艺流程如图3所示。即先制备出具有圆锥形凹坑针尖的悬臂型探针11；再利用聚焦离子束刻蚀出圆形通孔015(图3中的(l)所示)，并做进一步的修饰加工，提高圆孔015的对称性。基于圆锥形凹坑针尖011(图3中的(h)所示)、圆形通孔015的悬臂型探针11比金字塔形探针的通光效率高、偏振消光比高，有利于提高近场偏振成像的灵敏性和信噪比。

悬臂型圆孔探针11的具体制备工艺流程如下：

在厚度470微米、(100)晶向、p型掺杂的硅片001正面制作图形标记，便于光刻工艺位置对准。如图3中的(a)所示，用Piranha清洗液(H₂SO₄:H₂O₂＝3:1)、去离子水、丙酮、乙醇中清洗干净后，在硅片001的正面、背面用等离子体增强化学气相沉积法生长厚度约200-300nm厚的氮化硅薄膜002。

如图3中的(b)所示，，在硅片001的正面制备光刻胶003。在背面对准光刻定义悬臂梁凹槽位置和形状的光刻胶结构004；以光刻胶结构004为掩模，采用热磷酸溶液进行湿法腐蚀，在硅片背面的氮化硅薄膜002刻蚀出长方形结构；再用氮化硅薄膜002做掩模，用KOH溶液对背面的硅片进行各向异性腐蚀，剩余厚度约20-40微米。

如图3中的(c)所示，用丙酮等有机溶剂去掉背面残余的光刻胶结构004，用热磷酸溶液去掉剩余部分的氮化硅薄膜002。在正面用光刻的方法制备出直径5-20微米的圆形光刻胶区域，用做刻蚀氮化硅的掩模；用基于氟基气体进行RIE刻蚀出氮化硅圆形结构005；去掉正面残余的光刻胶003。在背面用等离子体增强化学气相沉积法生长厚度约100-150nm厚的氮化硅薄膜006。

如图3中的(d)所示，用氮化硅圆形结构005做掩模，利用硝酸和氢氟酸(比例1：0.2-1：2)的混合液对硅片001进行各向同性的湿法腐蚀，腐蚀深度约15-25微米，得到圆锥形硅结构007。

如图3中的(e)所示，对含锥形硅结构007的硅片001进行热氧化工艺，可以得到圆锥形的SiO₂结构008，其中SiO₂层的厚度400-800nm。

如图3中的(f)所示，正面用厚光刻胶SU8保护，并光刻露出硅片001上的标记，得到厚胶结构009，其厚度约15-25微米。

如图3中的(g)所示，在背面制备光刻胶，用电子束曝光工艺精确定位、曝光，定义圆孔的位置和形状，其中心与圆锥形SiO₂结构008的中心一致。再用光刻胶做掩模，采用热磷酸溶液对氮化硅薄膜006进行湿法腐蚀，得到圆孔结构010。

如图3中的(h)所示，有圆孔结构010的氮化硅薄膜006做掩模、用KOH溶液对硅片进行各向异性腐蚀，并过腐蚀到圆锥形SiO₂结构008；在硅片001上得到圆锥形凹坑结构011，凹坑底部宽、直径约15-25微米，凹坑底部为圆锥形SiO₂结构008。

如图3中的(i)所示，用丙酮去除正面的厚胶结构009和背面残胶，用热磷酸去掉残余的氮化硅薄膜006。在正面光刻制备出需沉积Al的圆锥部分的光刻胶图案012。

如图3中的(j)所示，在硅片001正面沉积金属Al层，Al层厚度约80-200nm，用带胶剥离的方法制备出Al的圆锥形结构013，该结构覆盖在圆锥形SiO₂结构008上。

如图3中的(k)所示，在硅片001背面曝光光刻出探针和悬臂梁图案，用反应离子束刻蚀工艺刻蚀得到间隙014以释放探针，其中，探针尺寸约2mm×4mm，悬臂梁宽约30-60μm、长约100-600μm、厚度2-8μm，共振频率5-300KHz。

如图3中的(l)所示，在圆锥形SiO₂结构008和圆锥形结构013的中心位置处用聚焦离子束刻蚀出圆形通孔015，圆孔的直径约60-200nm；并对Al的圆锥形结构013做进一步的修饰加工，提高圆锥形结构的对称性和均匀性。

上述工艺可以在硅片001上制备探针11的阵列，单个探针面积约6-10mm²，直径4英寸硅片001在完成一个工艺流程可以制备探针11的数量约1000个，这样批量生产的方法可以降低单个探针11的成本。

实施例2

以如图1所示的探针光照明模式系统装置进行扫描成像测试，结合附图3来说明本发明所述的扫描成像系统装置的具体应用。

选择石英玻璃基板上含三联噻吩衍生物、具有二向色性的聚合物薄膜作为样品501，厚度300nm-500nm，固定在扫描台302上。选择共振频率约22KHz的悬臂型圆孔探针11，其悬臂梁宽约50μm、长约500μm、厚度约5μm。该探针11固定在扫描头301上，激光器12发出的光由物镜303经探针11反射面到达四象限探测器13，结合系统控制器403控制探针与样品的距离，并基于接触模式进行扫描成像。样品501固定在扫描台302上，利用系统控制器403控制扫描台302，并带动样品501在x轴、y轴、z轴三个方向的扫描运动，其最大扫描范围分别是100μm、100μm和10μm。

白光源201发出的光经透反射镜205和透反射镜206耦合进物镜303中，到达探针11的圆孔处或样品501表面，反射光信号同样经过物镜303、透反射镜206和205进入成像CCD和监视器202，这样可以选择样品501的特定区域，并且能将物镜303聚焦到样品501表面。同样，白光源203发出的光经透反射镜208和透反射镜207耦合进物镜304中，到达样品501，反射光信号同样经过物镜304、透反射镜207和208进入成像CCD和监视器204，这样可以将物镜304聚焦到样品501。

激光器101输出光波长488nm、功率10-20mW，利用线偏振片102将偏振比提高到约300：1-500：1，光经过光调制器103、四分之一波片104后，该线偏振光得到调制，其线偏振的偏振方向在面内转动，调制频率50KHz。线偏振片102偏振方向、光调制器103主轴方向以及四分之一波片104的偏振方向依次为90度、45度和0度。光弹调制器103和四分之一波片104对应的波长均为488nm。入射光经透反射镜206进入扫描头301，通过物镜303聚焦到探针通孔015处，可以用成像CCD和监视器202观察其聚焦状态。经过探针通孔015后照明在样品501上，物镜304收集光信号并传输到含前置500nm长波通滤光片以过滤掉波长488nm激发光的探测器402，光信号转变成电信号，进一步传输到锁相放大器401里。锁相放大器401与光调制器103、探测器402相连，实现对该调制频率的光信号进行锁相、放大；锁相放大器401与系统控制器403相连，并与含控制软件的计算机404相连，获得近场光学成像和偏振调制成像。利用与锁相放大器401连接的光调制器103和系统控制器403，通过锁相放大器401的相位信息能够获得偏振调制成像。

实施例3

以如图2所示的探针光收集模式系统装置进行扫描成像测试，结合附图3来说明本发明所述的扫描成像系统的具体应用。

选择石英基板上厚度100nm-150nm具有二向色性的偶氮苯薄膜作为样品501，固定在扫描台302上。选择共振频率约150KHz的悬臂型圆孔探针11，其悬臂梁宽约50μm、长约200μm、厚度约4μm。该探针11固定在扫描头301上，激光器12发出的光由物镜303经探针11反射面到达四象限探测器13，结合系统控制器403控制探针与样品的距离，并基于轻敲模式进行扫描成像。样品501固定在扫描台302上，利用系统控制器403控制扫描台302，并带动样品501在x轴、y轴、z轴三个方向的扫描运动，其最大扫描范围分别是100μm、100μm和10μm。

白光源201发出的光经透反射镜205和透反射镜206耦合进物镜303中，到达探针11的圆孔处或样品501表面，反射光信号同样经过物镜303、透反射镜206和205进入成像CCD和监视器202，这样可以选择样品501的特定区域，并且能将物镜303聚焦到样品501表面。同样，白光源203发出的光经透反射镜208和透反射镜207耦合进物镜304中，到达样品501，反射光信号同样经过物镜304、透反射镜207和208进入成像CCD和监视器204，这样可以将物镜304聚焦到样品501表面。

激光器101输出光波长532nm、功率10-20mW，利用线偏振片102将偏振比提高到约300：1-500：1，光经过光调制器103、四分之一波片104后，该线偏振光得到调制，其线偏振的偏振方向在面内转动，调制频率50KHz。线偏振片102偏振方向、光调制器103主轴方向以及四分之一波片104的偏振方向依次为90度、45度和0度。光调制器103和四分之一波片104对应的波长均为532nm。入射光经透反射镜207进入物镜304，并聚焦照射到样品501表面，在面内x方向、y方向调物镜304的位置，使聚焦光斑与探针通孔015一致，可以用成像CCD和监视器202和204观察其位置和聚焦状态。然后，透射光信号经探针通孔015和物镜304、以及透反射镜206传输到探测器402，光信号转变成电信号，进一步传输到锁相放大器401里。锁相放大器401与光调制器103、探测器402相连，实现对该调制频率的光信号进行锁相、放大；锁相放大器401与系统控制器403相连，并与含控制软件的计算机404相连，获得近场光学成像和偏振调制成像。利用与锁相放大器401连接的光调制器103和系统控制器403，通过锁相放大器401的相位信息能够获得偏振调制成像。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims

1.一种基于悬臂型圆孔探针的偏振调制扫描近场光学显微镜系统装置，其特征在于，所述偏振调制扫描近场光学显微镜系统装置包括：

所述光源单元包括激光器、线偏振片、光调制器、四分之一波片、透反射镜以及物镜；所述激光器输出的光依次经过线偏振片、光调制器、四分之一波片、透反射镜耦合到物镜；

所述光调制器为光弹调制器、电光调制器或者贴有偏振片的斩波器；所述四分之一波片、线偏振片和光调制器与激光器输出的入射光的波长匹配；

扫描单元，包括悬臂型圆孔探针、扫描头、位于所述扫描头下方的扫描台，所述悬臂型圆孔探针通过针尖座固定于扫描头，样品固定在扫描台上；

所述悬臂型圆孔探针包括基座、悬臂以及圆锥形针尖；

所述圆锥形针尖的内部具有锥形孔，圆锥形针尖的尖部具有圆形通孔；

所述扫描单元将线偏振扫描光源经透反射镜耦合到扫描头里的物镜，并聚焦到悬臂型探针的孔径里照射到样品上，经扫描台里的物镜收集光信号；或将线偏振扫描光源经透反射镜耦合到扫描台里的物镜，并聚焦到样品下表面，扫描台里的物镜聚焦到悬臂型探针的孔径，使悬臂型探针的孔径在水平面内的位置与经过样品的光束光斑一致，扫描头的物镜接收经所述悬臂型圆孔探针收集的样品的偏振扫描光信号，进行接触模式或轻敲模式的近场扫描成像；

2.根据权利要求1所述的一种基于悬臂型圆孔探针的偏振调制扫描近场光学显微镜系统装置，其特征在于：所述圆锥形针尖外部包覆金属铝层，内部为二氧化硅层，金属铝层厚度70-150nm；所述圆锥形针尖内部的锥形孔的最大直径为15-25μm、高度10-15μm，尖部的圆形通孔直径80-150nm。

3.根据权利要求1-2任一所述的一种基于悬臂型圆孔探针的偏振调制扫描近场光学显微镜系统装置，其特征在于：所述悬臂型圆孔探针是通过微加工的工艺方法制备得到的；所述微加工的工艺方法包括湿法腐蚀、光刻、反应离子束刻蚀、化学气相沉积、物理气相沉积、聚焦离子束刻蚀。

4.根据权利要求1所述的一种基于悬臂型圆孔探针的偏振调制扫描近场光学显微镜系统装置，其特征在于：所述成像单元包括探测器、锁相放大器、系统控制器和计算机。

5.根据权利要求4所述的一种基于悬臂型圆孔探针的偏振调制扫描近场光学显微镜系统装置，其特征在于：所述光调制器与锁相放大器的频率输入端连接，将调制频率信息输入到锁相放大器，使得锁相放大器与光调制器同频率；所述探测器与锁相放大器的信号输入端连接，将强度信息输入到锁相放大器；所述锁相放大器的输出端与系统控制器连接；所述系统控制器控制扫描头和扫描台的相对运动，并控制探针的扫描过程。

6.根据权利要求1所述的一种基于悬臂型圆孔探针的偏振调制扫描近场光学显微镜系统装置，其特征在于：所述系统装置还包括照明光源、分光元件以及成像CCD。